Измерения местных мгновенной конвективной теплопередачи в трубе - один и двухфазного потока

Эта рукопись описывает методы, направленные на измерение коэффициентов передачи местных мгновенной теплоотдачи в потоке одно- или двухэтапной трубы. Также представлен простой оптический метод для определения продолжительности и скорости распространения вытянутых пузырьков воздуха (Тейлор), двигаться с постоянной скоростью.

Эта рукопись обеспечивает шаг за шагом описание процесса изготовления теста раздел, предназначенный для измерения местных мгновенной коэффициент теплопроводности как функцию расхода жидкости в прозрачной трубе. С некоторыми поправками подход распространяется потоков газ жидкость, с особым упором на воздействие одного вытянутых пузырьков воздуха (Тейлор) на повышение передачи тепла. Метод неинвазивной термография применяется для измерения температуры мгновенно тонкой металлической фольги, с подогревом, электрически. Фольга наклеивается на покрытие слот узким вырезать в трубе. Тепловой инерции фольги является достаточно небольшим, чтобы обнаружить изменения температуры мгновенно фольги. Раздел теста можно перемещать вдоль трубы и достаточно долго покрыть значительную часть растущего тепловой пограничного слоя.

В начале каждого экспериментального запуска, установившемся с постоянной водой потока скорость и тепла флюс для фольги достигается и служит в качестве ссылки. Пузырь Тэйлор затем вводят в трубу. Коэффициент вариации передачи тепла из-за прохождения Тейлор пузырь, распространяющиеся в вертикальной трубе измеряется как функция расстояния между точкой измерения от нижней части движущейся пузырь Тейлор. Таким образом результаты представляют коэффициенты передачи местных тепла. Несколько независимых потоков, предварительно отформованных в одинаковых условиях позволяют аккумулировать достаточные данные для расчета надежных результатов ансамбль в среднем на переходных конвективный теплообмен. Чтобы выполнить это в отсчета, движущихся с пузырь, расположение пузырь вдоль трубы должен быть известен во все времена. Представлено подробное описание измерений длины и поступательные скорости Тейлор пузыри, Оптические зонды.

Многочисленные экспериментальные исследования конвективной теплопередачи, используя различные методы для измерения стены и/или температура жидкости в различных конфигураций потока, выполнены в течение последних десятилетий. Одним из факторов, которые ограничивает точность измерения температуры в нестационарных процессах является медленное реагирование датчиков. Для записи температуры местных мгновенной стены, измерительное оборудование имеет достаточно, быстро реагировать в то время как поверхность, на которой регистрируется температура должна быть в термодинамическом равновесии с потоком зависящих от времени. Таким образом тепловой инерции поверхности должен быть достаточно небольшим. Соответствующие временные масштабы определяются гидродинамических явлений, которые вызывают изменения в конвективной теплопередачи. Таким образом, быстрое время отклика имеет решающее значение для записи время зависимых температуры в переходных потока.

Для удовлетворения этих требований, ИК-камера используется для записи специальных самостоятельно изготовленные тест раздел, который позволяет быстро температуры ответ на любое изменение в потоке. Часть стены трубы отрезать и заменить с тонкой фольги из нержавеющей стали. Аналогичный подход был использован в Hetsroni и др. ¹, однако, фольга, которую они использовали слишком толстая, чтобы точно измерить изменения мгновенно температур и были представлены только в среднем времени температуры. Уменьшение толщины фольги значительно улучшились время отклика. ² этот метод был применен в лаборатории для измерения коэффициентов теплоотдачи передачи в двухфазного потока^3,4 и переходных явлений в однофазной трубы поток⁵.

Принципиальная схема двухфазного потока фонда приводится на рисунке 1, дополнительную информацию о уникальный воздуха входе устройства можно найти в Бабин и др. ³

Расследование конвективной теплопередачи в двухфазного потока очень сложен из-за временной поток поведение и действие недействительным дроби в сечении трубы. Таким образом многие исследования только представили средняя конвективной теплопередачи для режима заданного потока в зависимости от конкретного потока условия^{6,,78,9,10 , 11}. Однако, документы, представленные Доннелли и др. ¹² и Лю и др. ¹³ , представляют собой примеры двухфазные местных теплоотдачи передачи исследований.

Настоящее исследование посвящено измерения передачи тепла вокруг одного удлиненные (Тейлор) пузырь вводится в стоячей или течет жидкость в трубе. Пузырь Тейлор распространяет в постоянной поступательные скорости^14,,1516. Пузырь скорость распространения определяется с использованием метода Оптические зонды, состоящий из лазерного источника света и фотодиод^3,4.

Сочетание из ИК-камеры и оптических зондов позволяет измерения местных мгновенной конвективной теплопередачи как функция расстояния от Тейлора пузырь верхней или нижней.

Температура мгновенно стенки может использоваться для вычисления конвективной теплопередачи, hи числа Нуссельта:

, (1)

где q является поток тепла в фольгу, T_w и T_∞ температура стенки и температура воды на входе, соответственно, k -жидкости проводимости и D – диаметр трубы. Во избежание введения какого-либо вмешательства в поток измеряется не объемная температура, которая обычно используется для определения коэффициентов передачи тепла.

1. проверить раздел для измерения температуры мгновенно

1. Производственный процесс тестирования секции (Рисунок 2)
   1. Вырежьте сегмент трубы по крайней мере 70 см длиной.
      Примечание: Диаметра и толщины стенки секции теста должна быть идентична труб, используемых в экспериментальный центр.
   2. Используйте фрезерный станок для резки 4 соседних узкими окнами вдоль трубы в разделе тест, каждое окно является шириной 6 мм и 80 мм длиной, с 25-мм зазор между смежными окнами.
   3. От 12 мкм тонкой фольги из нержавеющей стали вырежьте полосками шириной 40-60 cmlong и 12 мм.
      Примечание: Фольга будет использоваться для уплотнения окон в трубе тестирования. Из нержавеющей стали должны быть покрыты две золотые полосами, которые Марк небольшое расстояние от края фольги и должны быть использованы для сварки питания провода питания для нагрева фольги, см. Рисунок 2.
   4. Измерение электрического сопротивления фольги с помощью омметра.
   5. Место фольгой внутри трубы следующие шаги, описанные ниже.
      1. Создание основы для вставки фольги в разделе тест, сделана из жесткой трубки с наружным диаметром равным внутреннего диаметра трубы испытания. С этой целью сократить шириной 20 мм и около 80 см длиной часть стенки трубы
      2. Слой основы с жиром до размещения фольгу на нем, чтобы разрешить отключение основу из фольги на более позднем этапе.
      3. Место фольгу на основу и придавить его. Возьмите ткань с алкоголем и очистки фольги от любой избыток жира.
      4. Применять клей на периферии фольги и на трех сегментов фольги, соответствующее расположение мостов между смежными окнами.
         Примечание: Клей должен быть сильным с первоначального упрочнения продолжительностью по крайней мере 20 минут для того, чтобы обеспечить достаточно времени для процесса вложений фольги; используется эпоксидная DP 460.
      5. Осторожно вставьте основание с фольги в раздел теста с фольгой, обращенной вверх к windows.
         Примечание: Этот процесс должно быть сделано на двух человек.
      6. Убедитесь, что фольга выравнивается с окнами, золотые полосы должны быть на краю двух внешних окон. Как только фольгу правильно размещен и охватывает windows, свяжите основу испытания труб на каждом конце с помощью струбциной.
      7. Тщательно Вставьте трубу под основание Внутренняя шина сложенном велосипедов, смазка шины при необходимости. Раздувать шин. Во время инфляции наблюдать распространяется через фольгу и достижения основу клей.
         Примечание: Давление в накаченной шине должно гарантировать, что клей свяжет внутренней стенки трубы и фольгу. Это также форма фольги для кривизны трубы и уменьшить любые возможные помехи потока из-за фольгу или клей.
      8. Тканью снимите любой избыток клея, который достиг оконные проемы.
      9. Пусть сухой клей для 24 h. Deflate шины, распакуйте его и откройте зажимы.
      10. Отсоедините основой от фольги и трубы в следующие шаги:
          1. Нежно коснуться каждого конца основания чувствовать себя чего легче отключить и начать отключение от этого.
          2. Используйте длинный ролик или аналогичный объект отключить оригинальной основой постепенно, медленно двигаться в трубу, пока всю основу отключен и фольгу по-прежнему безопасно неповрежденных на трубе.
             Примечание: Этот процесс должно быть сделано аккуратно, чтобы защитить печать; Если печать разрушен новый следует трубы испытания передачи тепла.
          3. Убедитесь, что труба запечатан, закрыв один конец трубы и заполнения трубы с водой.
   6. Чистота излишки жира с внутренней стороны трубы с водой и мылом.
   7. Подключите провода электрического отопления сваркой золотые полосы на фольге.
      Примечание: Чтобы защитить фольги на эти пятна, предлагается сначала связать Маленький Купер чип фольги и затем сварить провод к нему.
   8. С тепловой клей соединиться в нижней части каждого окна термопары T-типа. Эти термопары будет использоваться позднее в процессе калибровки камеры ИК.
      Примечание: Показания температуры от термопар записаны и записанные ПК с помощью A/D конвертер.
   9. Краска внешней стороне пленки с черные матовые спрей для того, чтобы максимизировать степень черноты.
2. Применение теплового потока для фольги
   1. Подключите провода электрического отопления от края фольги для питания постоянного тока.
   2. Установите электрического тока, чтобы фольга достигнет желаемой температуры.
      Примечание: Не доходят до температуры, которая может нанести ущерб трубы. Для оргстекла предел составляет около 45 ° C. Однако убедитесь, что для нагрева фольги достаточно, чтобы гарантировать, что температура фольги остается по крайней мере на несколько градусов над температура воды на входе, даже во время охлаждения из-за временных изменений, ожидаемых в потоке.
   3. Рассчитать поток тепла применяется Q = я²R где я тока применяется и R это электрическое сопротивление фольги.
      Примечание: Передачу тепла от внешней стороны фольги, которая открыта для воздуха является незначительным по сравнению с передачи тепла воды внутри трубы².
   4. Подключение ПК контролируемых электрических выключателей к одному из проводов поток тепла для того чтобы контролировать теплового потока импульсивный посвящения и выключения.
3. ИК камеры
   Примечание: подробные специфики ИК-камеры, используемые в лаборатории можно увидеть в Ferhstman^3,4. Камера подключается к ПК и управляется компьютером.
   1. Если возможно подключите ИК-камеры к набору рельсов, позволяя трехмерное движение камеры легко поместить его в разных положениях вдоль раздел теста.
   2. Включите ИК-камеры за несколько минут до проведения любых измерений, внутренние датчики занять время, чтобы остыть до необходимой температуры.
   3. Место ИК-камеры на несколько сантиметров от поверхности в пределах Фокусное расстояние камеры для включения упором.
      Примечание: В зависимости от разрешения камеры убедитесь, что область измеряется не меньше, чем один пиксель. Желательно иметь площадь поверхности измеряется состоящий из числа пикселов.
   4. Установить фокус в ИК-камеры.
   5. Процесс калибровки ИК камеры:
      1. Применение теплового потока, как указано в 1.2 и ждать, пока не будет достигнуто тепловой стабильного состояния, т.е. После того, как на фольгу записи постоянной температуры термопары. Измерения температуры окружающей среды вблизи экспериментальный центр с термопарой.
         Примечание: Эта температура будет использоваться как отражение температуры поверхности. Высокое значение излучательной способности поверхности этот параметр является ничтожно.
      2. Введите температура ИК-камеры параметра отраженной температуры.
      3. Для каждого окна в фольгу Сравните температура, зарегистрированная в ИК-камеры для записи термопары этого окна. Настройте свойство излучательная способность ИК-камеры до тех пор, пока температура запись ИК-камеры равна температура, зарегистрированная в термопара.
         Примечание: Это может быть сделано для нескольких значений потока тепла; Однако излучательной способности не чувствительны в этом диапазоне относительно низких температур. В экспериментальной записи среднее значение коэффициента излучения был 0,98.

2. измерения Тейлор пузырь поступательные скорости и его длина

1. Оптический зонд
   Примечание: оптический зонд включает лазерный источник света и фотодиод. Когда весь сечение трубы содержит воду, лазерный луч указал на фотодиод, вызывая цепи должны быть закрыты. Когда лазерный луч попадает воздушный пузырь, он толкнул от фотодиода и открывает цепи. Таким образом получается двоичного сигнала, определяющее, является ли оптический зонд перед пузырек воздуха или жидкости пули.
   1. Чтобы подключить датчик к плате A/D, постройте следующую схему (рис. 3).
   2. Включите лазер, направляйте его на диод. Проверьте цепи A/D программного обеспечения цифровой вход. Если лазерный диод, то цепь закрыт и позитивный сигнал должен появиться.
      Примечание: Убедитесь, что диод чувствителен к выходу волны лазера. Датчики фотооптические данные записываются в размере 1 кГц.

3. Экспериментальная процедура

1. Подключите тестовый раздел к экспериментальный центр, фланцы или трубы записей.
2. Подключите Отопление электрические провода источника питания и термопары для любой компьютерной температура рекордер.
3. Место ИК-камеры перед тест секции в нужное место.
4. Убедитесь, что камера сфокусирована на пленку; Это легче сделать с тепловой поток на.
5. Применение теплового потока (1.2) и выполнять процесс калибровки камеры IR (1.3.5).
6. Место два оптических датчиков вдоль трубы испытания
   Примечание: Если возможно Поместите один оптический зонд в месте расположения ИК-камеры; Это позволит синхронизацию между измерения температуры и расположение пузырь, пузырь не является видимым для ИК-камеры. Если это невозможно, убедитесь, что сдвиг результатов во времени соответственно пузырь скорость и расстояние между ИК-камеры и оптический зонд.
   1. Проверьте, что лазерный луч действительно хитов диод и дает позитивные чтения.
7. Включите насос и задайте требуемый расход. Применение теплового потока, регулируя тока блока питания.
8. Подождите, пока не будет достигнута температура устойчивого состояния. Выполните компьютерную программу для записи стены температуры потока однофазные трубы.
   Примечание: Для того, чтобы изолировать эффект пузыря Тейлора на коэффициент конвективного теплообмена, важно сначала измерить конвективной теплопередачи в однофазных потоков идентичные потока скорость и тепловой поток как двухфазная эксперименты. Рекомендуется выполнять это перед каждым отдельным событием.
9. Запустите компьютерную программу, которая управляет впрыском пузырь.
   Примечание: Эта программа должна сначала вводить один пузырь Тейлор и затем одновременно измерить стену температуры с помощью ИК-камеры и записывать двоичные сигналы двух оптических датчиков. Эти два измерения должны быть синхронизированы для того, чтобы избежать смещения дополнительное время между записями.
10. Между запусками, достаточно установить время задержки для обеспечения того, чтобы система вернуться к начальным условиям, т.е. температура стенки возвращает начальное значение однофазные устойчивого состояния.
    Примечание: Вполне возможно, что температура стенок однофазные устойчивого состояния потока будет увеличиваться в тех случаях, когда высокий тепловой поток на непрерывно. Этого следует избегать, закрыв поток тепла и принимая перерыв в экспериментах.

4. обработка данных

1. Вычислите коэффициент теплопередачи для однофазной устойчивого состояния, основанный на уравнение 1.
   Примечание: Этот коэффициент зависит от времени. Он будет использоваться как нормализующий фактор в дальнейшем.
   1. Каждое отдельное событие, записанный под условия, рассчитать длину Тейлор пузыри и поступательные скорости путем деления расстояния между оптических зондов, L, в интервал периода времени прибытия кончик время для каждого оптический датчик:   , где t_L1 и t_L2 являются время прибытия кончик пузырь нижней и верхней оптических датчиков, соответственно.
   2. Используйте пузырь Тейлор поступательные скорости для вычисления длины пузырь, умножив продолжительность обрыв одной из оптических датчиков.
2. Расчет мгновенных местных коэффициент теплопередачи за два этапа потока должно быть сделано следующим:
   Примечание: Хотя весь экспериментальный процесс компьютеризирован, длину и поступательные скорости Тейлор пузыри не остаются точно постоянн на каждый экспериментальный запуск. Таким образом момент, в котором пузырь достигает точки измерения варьируется. Оптические датчики и ИК-камеры имеют различные кадр ставки, 1000 и 30 Гц соответственно.
   1. Использование оптический зонд расположен вблизи ИК камера, запись момент прибытия пузырь подсказки.
   2. Этот сигнал триггера обеспечивает ссылку на время для записи камеры ИК.
      Примечание: Ансамбль средний процесс необходим для того, чтобы получить коэффициент конвективного теплообмена как функция расстояния от дна пузыря до точки измерения, z, где z= 0 соответствует нижней пузырь. Этот параметр должен быть нормализован, диаметр трубы D.
   3. Установка разрешения для z/D. Все записанные данные значения для каждого отдельного события (соответствующий одинаковых условиях) попадают в диапазон предписанных пространственное разрешение и должны усредняться для получения одного представителя значение температура стенки на таком расстоянии от пузыря снизу.
      Примечание: Это пространственное разрешение должны решаться на основе частоты записи ИК-камеры и поступательные скорости Тейлор пузырь. В этом исследовании оно было принято между 0,15-0,3.
   4. Вычислить коэффициент теплопроводности как функция расстояния от пузыря наконечник/дна используя уравнение 1.
   5. Нормализовать двухфазной местных мгновенной коэффициента теплопередачи путем однофазной постоянный коэффициент.
      Примечание: Этот коэффициент представляет улучшения теплоотдачи скорость передачи из-за проход пузырь, по сравнению с однофазного потока.

Пример оптических датчиков вывода записей представлены на рисунке 4 для одного пузыря Тейлор, растет в вертикальной трубе с застойной водой. Первоначальный большое падение представляет открытие цепи из-за кончик пузырь Тейлор, а позже гораздо короче капель после подъем к первоначальному значению из-за прохождения вытянутых пузырьков хвост, представляют дисперсной пузыри в результате жидкость за Тейлора пузырь. Сдвиг времени между выходами двух оптических зондов очевидно и из-за расстояния между двумя зондами вдоль трубы. В этом эксперименте, зонды являются пространства 0,09 м. Расчет поступательные скорости eq. 3 результаты в U_t= 0,23 м/с; по согласованию с¹³ Думитреску Тейлор пузырь, распространяющиеся в вертикальной трубе с застойной водой:

Тейлор пузырь длина измеряется, умножив продолжительность прохождения удлиненные пузырь поступательные скорости:

что соответствует L_B = 3,54D.

Представитель ансамбль усредненные результаты местных конвективной теплопередачи из-за прохождения 3,5 D долго один Тейлор, пузырь, растет в стоячей воде в вертикальной трубе на диаграмме на рисунке 5. Результаты представлены в отсчета, движущихся с пузырь внизу, поэтому отрицательные значения до z/D=-3.5 соответствуют пузырь региона, где тонкая пленка отделяет между стенке пузыря и трубы. Результаты конвективной коэффициенты двухфазного потока нормализованы по значению коэффициента однофазного потока. Очевидно, что это максимальное приращение в конвективной теплопередачи достигнуты несколько диаметров за дно пузыря и может быть как два раза выше по сравнению с однофазного потока с той же скоростью потока. Кроме того эффект пузыря Тейлора на стене температуры имеет длительный эффект, оставаясь необходимым до что сотни диаметров за Тейлора пузырь нижней. Это объясняется вслед за пузырь. Эти результаты служат четким свидетельством растущего интереса к двухфазного потока как механизм охлаждения.

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальный центр с измерениями передачи тепла проверить раздел. Подробности в разделе Вход воздуха и воды представлены в Вставка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2. Принципиальная схема в разделе тест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3 . Оптический датчик электрической цепи соединения между диод и A/D карты связан с ПК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4 . Оптический датчик, запись для Тейлор пузырь, растет в стоячей воде. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5. Нормированный коэффициенты передачи местных тепла вдоль одной пули блок для застойной жидкости (q= 2100 Вт/м²). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Экспериментальное исследование местной теплопередачи в переходных трубы поток является сложной задачей, которая требует high-end измерительных инструментов и методов, а также заказ экспериментальный центр, в частности, раздел специально разработанных тестов. Настоящий Протокол отображает термография технику, которая способна точно измерения быстро временных изменений температуры стенок и скорость передачи тепла из-за различий в гидродинамики потока.

Представлено подробное описание процесса изготовления теста секции. Важным шагом в подготовке объекта заменяет часть стенки трубы с тонкой фольги из нержавеющей стали. Фольга нагревается за счет электрического тока; ее внутренняя сторона открыта для поля зависят от времени потока, в то время как внешняя сторона снят ИК-камеры таким образом обнаружения каких-либо изменений температуры мгновенно фольги. Височной ответ фольги является единственным ограничением этой методики. Чтобы обеспечить достаточно быстрое время отклика по сравнению с характеристические времена рассмотрены явления должны выбираться материал и толщина фольги.

Метод позволяет мгновенной передачи тепла на основе камеры ИК измерения относительно движущейся Тейлор пузырь как определяется оптических средств. Ансамбль усреднения многочисленных реализаций эксперимента для любого данного оперативные условия, применяемые в настоящем исследовании процедура обеспечивает получение надежных результатов. Предлагаемая методика может использоваться для определения характеристик местных переходных теплопередачи в одноместных и многофазных потоков.

Эта работа была поддержана Фондом науки Израиля, Грант # 281/14.